目錄

• 簡介

• 主持人致辭

• 主旨報告

• 譚榮清：新型紅外激光器及激光應用研究進展

• 交流與討論

• 主要專家簡介：

• 展開

【簡介】

激光技術與原子能技術、計算機技術、半導體技術是二十世紀4項最重要的技術發(fā)明。激光技術是目前我國“智能制造2025”及國土安全重點發(fā)展的戰(zhàn)略高技術之一。CO2激光器具有光束質(zhì)量好、輸出功率大、大氣傳輸性能好等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的一種高功率激光器。近年來CO2激光在高平均功率、高重復頻率脈沖輸出技術、波長調(diào)諧技術、射頻激勵板條激光技術等方面所取得的研究進展，使該類激光器在一些國家重要工程中得到應用。LD泵浦堿金屬蒸氣激光器是一種新型的光泵氣體激光器，由于其具有體積小、重量輕、光束質(zhì)量好、大功率輸出潛力大等優(yōu)點，是目前國際激光研究的前沿和熱點之一。激光推進、激光雷達、激光清洗分別代表了激光在新概念推進、遙感探測以及工業(yè)加工三個重要領域中的應用。本次沙龍重點討論這些新興紅外激光器技術及其在上述三個應用方向的研究中需要探討的問題。

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【主持人致辭】

宋家駿：我們分會本年度科學技術前沿學術沙龍現(xiàn)在開始，請分會理事長林世昌研究員致辭。

林世昌：各位領導，各位專家，青年朋友們，上午好！今天的沙龍邀請了我們電子所五室主任譚榮清研究員為大家做主旨報告，為大家介紹新型紅外激光器技術及其最新應用的情況。激光這個領域是我所的老學科了，差不多有60多年的歷史，但不同的時期有不同發(fā)展。今天很難得請到譚榮清研究員，他們工作忙得很，但對我們老科協(xié)搞沙龍很支持，百忙之中寫了資料，給我們做有關報告。他重點介紹新的前沿領域，請大家討論。

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【主旨報告】

譚榮清：新型紅外激光器及激光應用研究進展

1 引  言

激光技術是目前我國“智能制造2025”及國土安全重點發(fā)展的戰(zhàn)略高技術之一。我的報告主要結合我們電子所的激光研究工作，綜述近年來在新型紅外激光器研究方面的部分進展，主要介紹CO2激光器及LD泵浦堿金屬蒸氣激光器研究進展。CO2激光器具有光束質(zhì)量好、輸出功率大、大氣傳輸性能好等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的一種高功率激光器。近年來CO2激光在高平均功率高重復頻率脈沖輸出技術、波長調(diào)諧技術、射頻激勵板條激光技術等方面所取得的研究進展，保證了該類激光器在工程項目中的實際應用逐漸展開。LD泵浦堿金屬蒸氣激光器是一種新型的光泵氣體激光器，由于其具有體積小、重量輕、光束質(zhì)量好、大功率輸出潛力大等優(yōu)點，是目前國際激光研究的前沿和熱點之一。激光推進、激光雷達、激光清洗分別代表了激光在航天航空、遙感探測以及工業(yè)加工三個重要領域中的應用，我的報告主要討論上述三個應用方向的研究進展及需要探討的問題。

2 新型紅外激光器研究進展

2.1  新型CO2激光器研究進展

CO2激光器是應用最廣泛的一種氣體激光器。CO2激光器電光轉(zhuǎn)換效率比較高，可以達到20%，實現(xiàn)高功率、大能量輸出的潛力大。此外，CO2激光器還具有光束質(zhì)量好、可調(diào)諧，輸出譜線豐富、大氣傳輸性能好，穿透煙塵能力強等優(yōu)點。并且CO2激光器運行維護成本較低，增益介質(zhì)中的工作氣體無毒無害，具有環(huán)保的特性。

CO2激光器是電子所的傳統(tǒng)優(yōu)勢領域，經(jīng)過不斷的研究，已經(jīng)走入工程化階段。目前電子所主要研究的是TEA CO2激光器，即橫向激勵大氣壓（Transversely Excited Atmospheric）CO2激光器。該類激光器工作氣體壓力為1 個大氣壓量級，采用高壓快脈沖橫向放電激勵，可輸出高重復頻率高峰值功率10.6μm脈沖激光。TEA CO2激光器不僅具有CO2激光器全部優(yōu)點，還有一些獨到的優(yōu)勢，比如峰值功率高、可重復頻率輸出實現(xiàn)高平均功率等。如圖2-1所示為一臺實用化千瓦級平均功率高重復頻率可調(diào)諧CO2激光器，平均功率可達1000W，重復頻率可達200Hz，波長可調(diào)諧。

圖2-1 實用化高重復頻率可調(diào)諧CO2激光器

重復頻率是CO2激光器的一項重要指標，一般TEA CO2激光器的重復頻率最高為600Hz，但是在實際的工程應用中，往往需要更高的重復頻率。近年來我們在提高TEA CO2激光器重復頻率方向開展研究，研制出kHz小型化TEA CO2激光器，它的重復頻率比同體制激光器高很多，可達2—5 kHz，輸出的峰值功率可達300 kW，小型化，這在一定程度上填補了國內(nèi)需求的空白。圖2-2為kHz小型化TEA CO2激光器的實物圖。

圖2-2 kHz小型化TEA CO2激光器

通常CO2激光器波長是10.59mm，這只是CO2激光增益譜中最強的一條譜線。從圖2-3 CO2激光器的譜線圖中可以看出，實際上有四條譜線的增益都比較大，分別為10.59mm、10.25mm、9.55mm及9.27mm。以上四條譜線為各支的強線。但是在很多應用需求中，除輸出這四條強線外還要求輸出某些增益很低的弱線，且實際應用中還需要很高的光束質(zhì)量，因此有較大的研制難度。

圖2-3 CO2激光增益譜線圖

目前我們開發(fā)了一種雙路快調(diào)諧脈沖CO2激光器，可以輸出弱線用于探測特定的物質(zhì)，并且激光器已經(jīng)通過了工程化運用檢測，可在野外實際復雜環(huán)境下應用，給國家有關項目提供了有利的支撐。

電子所關于CO2激光器的另一研究方向是射頻（RF）激勵擴散冷卻CO2激光器，射頻激勵的電源頻率在300kHz—300MHz，具有體積小、重量輕、無噪音，壽命長、免于維護，激勵電壓低、EMC好以及輸出功率可實現(xiàn)比例放大等優(yōu)點。近年來電子所做的RF激勵CO2激光器主要面向工程化應用，主要針對惡劣的環(huán)境、高低溫、沖擊、振動等條件制作實用型激光器。如圖2-4為RF激勵CO2激光器樣機，可以實現(xiàn)100W的輸出功率；圖2-5為小型化的RF激勵CO2激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)40W的輸出功率。

圖2-4 RF激勵CO2激光器樣機

圖2-5 小型化RF激勵CO2激光器樣機

2.2  半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器研究進展

2.2.1 簡介

半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器（DPAL，Diode Pumped Alkali vapor Laser），是由半導體激光器（LD，Laser Diode）作為泵浦源，堿金屬飽和蒸氣作為激光的增益介質(zhì)以實現(xiàn)高功率的激光輸出。堿金屬元素包括鋰（Li），鈉（Na），鉀（K），銣（Rb），銫（Cs），它們最外層只有一個價電子，表現(xiàn)出相似的能級結構如圖2-6所示。2S1/2為基態(tài)能級，2P1/2和2P3/2為自旋-軌道相互作用而劈裂的激發(fā)態(tài)能級，其中2P1/2 → 2S1/2躍遷對應D1譜線，稱為激光躍遷；2S1/2 → 2P3/2躍遷對應D2譜線，稱為抽運躍遷，對堿金屬蒸氣進行抽運就是要實現(xiàn)2S1/2和2P1/2能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

圖2-6 堿金屬激光器能級結構圖

由于Li和Na的上能級間隙極小，激光閾值很高，難以實現(xiàn)有效的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)，因此目前為止能夠?qū)崿F(xiàn)激光輸出的堿金屬元素是K、Rb、Cs，其對應的躍遷參數(shù)和量子效率見表2-1。從表中可以看出，堿金屬元素的量子效率極高，達95%以上，這意味著在泵浦源的激勵下，該類激光器有潛力達到極高的光光效率，同時介質(zhì)中產(chǎn)生的廢熱將大大減少。

表2-1 堿金屬激光能級參數(shù)表

表2-1 堿金屬激光能級參數(shù)表

自激光器問世以來，人們大都十分重視半導體激光器與氣體激光器的研究發(fā)展。半導體激光器具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，但同時也有明顯的不足之處，比如：單管半導體激光器功率有限（瓦級），需將多只單管半導體激光器進行輸出耦合以獲取大功率；另外半導體激光器的發(fā)散角很大，一般可達8°—10°。氣體激光器的優(yōu)點和缺點也很突出，優(yōu)點比如光束質(zhì)量好，單孔徑可以輸出大功率等，但明顯的缺點是激光器的體積大。采用半導體激光器泵浦堿金屬蒸氣，綜合了二者的優(yōu)點，具有單孔徑輸出功率高、光束質(zhì)量好、體積小重量輕、大氣傳輸性能好，增益介質(zhì)密封循環(huán)，無廢氣排放處理問題等優(yōu)勢，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2.2  研究進展

目前國外主要從事DPAL研究的有美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）、美國通用原子公司（GA）、美國空軍學院（USAFA）、新墨西哥大學等；日本的濱松光子公司、大阪大學以及俄羅斯的聯(lián)邦中心實驗物理研究所等。國外對DPAL的主要研究現(xiàn)狀見表2-2，到目前為止報道的最高輸出功率是2016年由美國空軍研究實驗室（AFRL）的G.A.Pitz等人實現(xiàn)的，輸出功率1500W，光光效率55%，為氣體流動型鉀蒸氣激光器。

表2-2 DPAL國外主要研究現(xiàn)狀

表2-2 DPAL國外主要研究現(xiàn)狀

國內(nèi)DPAL的起步較晚，參與的單位主要有：國防科技大學、中科院電子學研究所、中國科學院長春光機所、浙江大學、西南技術物理研究所等。主要研究現(xiàn)狀見表2-3。

表2-3 DPAL國內(nèi)主要研究現(xiàn)狀

表2-3 DPAL國內(nèi)主要研究現(xiàn)狀

電子所是在國內(nèi)率先開展DPAL研究工作的單位之一，2012年5月，電子所實現(xiàn)了半導體泵浦線偏振基模銣激光輸出，經(jīng)繼續(xù)對實驗進行改進，獲得了最高2.8W的銣激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達21%。實驗光路如圖2-7所示，實驗測量的銣激光光譜以及光斑如圖2-8所示。

圖2-7 Rb-DPAL實驗裝置示意圖

圖2-8 銣激光光譜以及光斑圖

2013年10月，電子所實現(xiàn)了國內(nèi)首次DPAL銫激光輸出，激光輸出功率394mW，光光效率7.4％，實驗光路如圖2-9所示。對各項參數(shù)進一步優(yōu)化后，所得輸出激光具有極好的光束質(zhì)量，光束功率密度分布如圖2-10所示。激光器光束質(zhì)量M2因子接近1。實驗證明了DPAL在光束質(zhì)量方面的潛力是極大的。

圖2-9 Cs-DPAL實驗裝置示意圖

圖2-10 Cs-DPAL輸出光束功率密度分布圖

2.2.3  應用展望

2.2.3.1 激光傳能

一直以來人類有一種設想，因為太空中沒有大氣的衰減，在太空中設立太陽能發(fā)電站可以更有效的收集陽光，而傳輸能量就可以采用激光傳能的方式。

此外激光傳能也有更加現(xiàn)實的應用，比如說對無人機進行能量傳輸。近年來無人機的發(fā)展非常迅猛，其中續(xù)航里程是無人機的一個重要指標，在很多實際的應用，我們希望無人機能夠長時間地停留在執(zhí)行任務的區(qū)域，此時就可以采用激光傳能的方式，通過一束激光將能量傳到無人機上，然后在無人機上通過類似太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)換裝置，將地面激光器傳輸?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化為電能，達到給無人機供電的效果。

為實現(xiàn)激光傳能，需選用合適的激光器，首先激光器的波長必須處于光電材料高效吸收的波段，因為光電池把光能轉(zhuǎn)化為電能具有波長選擇性。例如砷化鎵，其對于不同的波長轉(zhuǎn)化效率差別非常大，波長不合適時轉(zhuǎn)化效率可能低于10%，而當波長合適的情況下轉(zhuǎn)化效率能夠達到50%以上。DPAL激光器的輸出波長770/795/895 nm，處于使砷化鎵高效吸收的區(qū)域。而且激光傳能所需激光器的功率要高，光束質(zhì)量要好，最后輸出激光的大氣傳輸性能也要好。以上所需的各項條件DPAL激光器均有很大優(yōu)勢，因此半導體泵浦堿金屬激光器在激光傳能方面顯示出極大的優(yōu)勢和良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2.3.2 激光武器

除了激光傳能以外，DPAL在光電對抗以及激光武器方面也有較好的應用前景。DPAL體積小、質(zhì)量輕、功率大等自身的特點，使其可以安裝在飛機甚至無人機上使用，并且激光器自身的光束質(zhì)量好，大氣傳輸性能好。而傳統(tǒng)的激光武器，比如裝備有化學激光器的美國機載激光武器系統(tǒng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)百萬瓦級輸出，但卻存在致命的問題，比如運行時要消耗大量高活性的危險化學品，重量遠超最初的設計并且后勤補給工作危險且繁重。

無人機的持續(xù)飛行與激光武器幾乎無限的射擊相結合，意味著單一的無人機可以巡航數(shù)天，極大降低了部署成本，對無人機的發(fā)展及國家方面都具有劃時代的意義。

有資料認為[1]，DPAL激光器是“兆瓦級激光武器的領先候選者”，并且美國導彈防御局（MDA）也認為“DPAL提供了一種高效率、電激勵、緊湊、輕量的高能激光器的解決途徑以應對未來威脅”。MDA在2011財年預算提案中將LD泵浦堿金屬蒸氣激光器明確為導彈防御的領先候選者[2]。正如該文所述“建造兆瓦級激光器并將其光束發(fā)射到數(shù)百公里外的目標上，是更具挑戰(zhàn)性的問題，而半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器，因其極高的效率以及通過采用氣體流動使單孔徑輸出兆瓦功率，而頗具吸引力” 。在激光武器方面，DPAL有非常良好的發(fā)展前景。

2.3  室溫Fe2+:ZnSe中紅外激光器研究進展

Fe2+:ZnSe激光器是近年來中紅外激光器研究領域的熱點之一。其最主要的特點是通過能級直接躍遷輸出3-5mm的中紅外激光，在材料特性和轉(zhuǎn)換效率等方面都具有明顯優(yōu)勢。3-5mm波段作為大氣傳輸窗口，處于該波段的激光源在激光雷達、遙感、環(huán)境保護、醫(yī)療、通信和工業(yè)控制等民用領域都有著廣闊的應用前景。同時在軍事領域，目標定位、紅外對抗等對該波段激光源的應用需求也在不斷增長。Fe2+:ZnSe激光器的特點除可以通過直接泵浦來獲得高效激光輸出外，同時它也具備較寬光譜范圍的吸收帶和發(fā)射帶、輸出激光調(diào)諧范圍寬（3.5—5.5mm）、光光效率高以及激光輸出能量大等優(yōu)點，因此這種激光器受到廣泛的關注。

但是Fe2+:ZnSe激光器的實現(xiàn)也存在一個難點，即在室溫下難以實現(xiàn)激光輸出，這是由其自身的能級特點所決定的。目前電子所采用自行研制的脈沖HF激光器泵浦Fe2+:ZnSe晶體，取得了比較好的效果，在室溫下實現(xiàn)了脈沖能量高達80 mJ的激光輸出。實驗光路如圖2-11所示。實驗未采用垂直入射泵浦方式，而采用小角度斜入射的泵浦方案，解決了雙色鏡鍍膜難的問題。

圖2-11 Fe2+:ZnSe激光器實驗裝置圖

3 若干激光應用的進展

3.1  激光雷達

近年來，激光器技術的發(fā)展，使得激光雷達得到了更好的發(fā)展。激光雷達種類非常多，比如大氣測量激光雷達、跟蹤激光雷達、測速激光雷達、合成孔徑激光雷達等。其中大氣測量激光雷達可測大氣溫度、水分、冰晶等，應用于天氣預報方向可大大提高其預報準度。近幾年，電子所主要涉及的是差分吸收激光雷達、三維成像激光雷達以及合成孔徑激光雷達。

在美國有兩個著名的激光雷達，其一是空間目標探測激光雷達“HICLASS”，最遠可以探測10000km外的目標；在1000km時可探測反射截面25px2的目標，其發(fā)射口徑為3.67m。二是跟蹤激光雷達“火池”，它的一個成功例子是在354km時還可繼續(xù)跟蹤航天飛機，精度可達1mrad。

合成孔徑激光雷達是利用激光器作輻射源的合成孔徑雷達，廣義上包括用紫外、可見光、紅外和太赫茲波作輻射源的合成孔徑成像雷達。其成像原理與微波波段的合成孔徑雷達的成像原理基本相同，利用雷達與目標之間的相對運動，經(jīng)信號處理產(chǎn)生等效的大孔徑來獲得高的方位分辨率。由于激光波長一般比微波波長短3-5個數(shù)量級，所以合成孔徑激光雷達與合成孔徑微波雷達相比，在獲得同樣分辨率的情況下，其合成孔徑的長度要小的多，對相關硬件的要求更低，系統(tǒng)更易實現(xiàn)。另外，合成孔徑激光雷達在成像時間上比合成孔徑微波雷達有大幅度的減少，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標的實時成像。因此，在遠距離探測中，合成孔徑激光雷達比合成孔徑微波雷達具有更多的優(yōu)越性。

近幾年，我們在合成孔徑激光雷達方面也做了很多工作，2016年取得了較好的實驗成果，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了機載合成孔徑激光雷達成像，地點位于陜西蒲城內(nèi)府機場，對如圖3-1所示的目標進行成像，結果如圖3-2所示，分辨率可達5厘米以下。

3-1 成像目標

3-2 成像結果

3.2 激光清洗

激光清洗是新一代的先進工業(yè)清洗技術，具有綠色環(huán)保、非接觸、選擇性強、精細可控、自動化程度高、運行成本低等優(yōu)點。目前激光清洗設備多采用半導體激光器、光纖激光器或固體激光器，一般為連續(xù)或準連續(xù)輸出，輸出波長為近紅外。隨著激光清洗應用的展開及深入，激光清洗設備對激光器的選擇也將依據(jù)基底、清洗對象及技術要求“個性化”而定。

TEA CO2激光器應用于激光清洗有如下優(yōu)勢：（1）單脈沖能量大，用于激光清洗時，不僅具有熱學效應，而且具有力學“沖擊效應”；（2）高重復頻率脈沖工作，與連續(xù)波激光器相比，對基底的熱影響??；（3）TEA CO2激光器輸出光斑為多?！捌巾斝汀?，均勻方正；（4）輸出波長處于長波紅外波段，非金屬材料吸收率高，人眼安全；（5）運維成本低。

我們研制的高重復頻率TEA CO2激光器，如圖3-3（a）所示，輸出波長10.6 μm，單脈沖能量可達15 J，重復頻率可達150 Hz，平均功率達到2250 W。圖3-3中（b）、（c）分別為該激光器的光斑形狀及脈沖波形。該激光器光斑形狀方正，能量分布均勻，并具有較高的峰值功率。

圖3-3 高重復頻率TEA CO2激光器

高重復頻率TEA CO2激光器的以上特性，使它在激光除漆、激光文物表面清洗等激光清洗應用中，有獨特的優(yōu)勢。我們以激光去除飛機表面漆層為應用背景，在激光除漆的最佳能量密度、激光除漆的效率與成本以及激光除漆對基底材料的力學性能的影響等方面開展了研究工作。圖3-4所示為經(jīng)過激光除漆與未經(jīng)過激光除漆的樣品的照片。

圖3-4 激光清洗前后樣品照片

（1）經(jīng)濟性測試：為了研究激光能量密度的影響，用銅凹面鏡將激光光束垂直聚焦到激光除漆樣品上，通過將樣品放置在銅凹面鏡焦點前的不同位置使照射到各個樣品上的激光能量密度各不相同。測量樣品所在位置的光斑面積，用入射激光能量除以該面積即得激光能量密度。

圖3-5 單位面積除漆質(zhì)量隨激光能量密度的變化曲線

圖3-6  Q*值隨能量密度的變化曲線

如圖3-5所示，單位面積除漆質(zhì)量先是隨著能量密度上升，在能量密度為6~8 J/cm2之間達到峰值，隨后下降。當激光能量密度大于12 J/cm2后，單位面積除漆質(zhì)量顯著下降，此時，激光與樣品表面的作用機理可能已發(fā)生突變。而進一步分析Q*值（Q*=激光能量密度/單位面積除漆質(zhì)量）隨能量密度的變化曲線，如圖3-6所示?？梢钥闯觯斈芰棵芏却笥?0 J/cm2后，Q*值隨著激光能量密度的提高大幅提高，說明激光能量的利用效率顯著下降。且在入射激光能量密度為6.5 J/cm2時，Q*值為極小值，約為3 kJ/g。

綜合上述的實驗結果，激光除漆的最佳激光能量密度為6-10 J/cm2。當激光能量密度為6.5 J/cm2時，激光除漆效率較高，此時去除干重為1 kg的漆層，需要的激光能量約為3 MJ。假設使用一臺2 KW的TEA CO2激光器，其電光轉(zhuǎn)換效率為10%。那么，除去1 kg涂漆耗電量為8.3 kWh，電費合人民幣8.3元（設電價為1 元/度）。可見，采用激光清洗的方法，除去每公斤涂漆的設備運行成本不足10元。在經(jīng)濟性方面，激光清洗技術優(yōu)于目前使用的化學除漆方法。

（2）速度測試：激光除漆速度是制約激光除漆技術向?qū)嵱猛茝V的關鍵因素之一。例如，在激光去除飛機表面漆層應用中，因為飛機維修公司一般要求在一到兩天之內(nèi)完成整機的除漆工作。如果激光除漆速度無法達到現(xiàn)用的化學除漆的速度（約每小時22 m2），就會拖延飛機的維修時間，可能會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。

若表面漆層厚度為50μm，設漆層密度為1 g/cm3，則每平方米飛機涂層質(zhì)量約為50 g。按本文實驗結果，去除50 g漆層需要的激光能量為150 kJ，對于本文采用的平均功率2 kW激光器，對應的發(fā)射時間75 s。即去除1 ㎡漆層需要的時間為75 s，這相當于在本文的激光除漆應用中，激光清洗的速度可以達到48 m2/h。

（3）安全性測試：將如圖3-4所示的經(jīng)過激光除漆和未除漆的兩組樣品分別編號，采用美國MTS公司810型材料試驗系統(tǒng)對兩組樣品首先進行材料拉伸試驗。在最能反映材料強度的抗拉強度一項，除漆組樣品的平均值為399.6 Mpa，未除漆組的平均值為399.3 Mpa，兩組幾乎沒有差別。

之后采用不對稱拉伸循環(huán)應力測試激光除漆前后樣品的疲勞壽命。實驗結果顯示：5個激光除漆后樣品疲勞壽命的均值及方差都優(yōu)于5個未除漆的樣品，由于實驗樣品較少且高周疲勞的方差都很大，不能以此判定激光除漆可以改善樣品的疲勞性能，但是至少可以初步得出激光除漆不會降低材料的疲勞性能。

最后采用顯微硬度計，測量樣品除漆前后的維氏硬度（HV）。測量結果如圖3-7所示，可以發(fā)現(xiàn)，在高于均值的樣品中，除漆的有5個，未除漆的有6個，并且分布表現(xiàn)出無規(guī)律性，所以飛機蒙皮經(jīng)過激光除漆后維氏硬度并沒有明顯差別。

圖3-7 除漆與否對維氏硬度的影響

在激光清洗領域，高重復頻率TEA CO2激光器具有非金屬材料吸收率高，人眼安全，熱影響區(qū)小等獨特優(yōu)勢，尤其適用于除漆、文物清洗等應用。實驗結果表明，高功率高重復頻率TEA CO2激光器在激光清洗過程中可以做到對基底材料性能無損傷。并且，初步計算表明該類激光器除漆工作效率可達到48 m2/h。不考慮原件更換及設備折舊等因素，激光清洗設備的運行成本很低，在經(jīng)濟性方面遠優(yōu)于目前化學清洗工藝。

3.3  激光推進

激光推進（Laser Propulsion）與另一種新概念推進方式-微波推進，均屬于束能推進(Beamed Energy Propulsion)。激光推進的概念有狹義和廣義之分。狹義的激光推進是指，通過激光與工質(zhì)相互作用產(chǎn)生推力的推進形式。廣義的激光推進，即以激光為能量來源的推進形式，還包括激光光帆、激光電推進、換熱式激光推進等。本文所述激光推進僅限于狹義的1激光推進。

比沖（Specific Impulse）、沖量耦合系數(shù)（Momentum Coupling Coefficient）及能量轉(zhuǎn)化效率（Energy Conversion Efficiency），是衡量激光推進性能的三個最重要的參數(shù)。比沖Isp是指消耗單位重量工質(zhì)所獲得的沖量，單位為s；沖量耦合系數(shù)Cm是指單位入射激光能量所產(chǎn)生的沖量，單位為N·s/J或N/W或dyn·s/J；能量轉(zhuǎn)化效率η是指飛行器獲得的動能與激光能量的比值。

根據(jù)是否攜帶工質(zhì)，激光推進可以分為燒蝕模式（也稱火箭模式）和吸氣模式兩類。在燒蝕模式中，強激光照射飛行器攜帶的工質(zhì)（一般為固體或液體）的表面，使其發(fā)生等離子體或蒸氣噴射，產(chǎn)生推力。吸氣模式是將由進氣道吸入的空氣直接作為工質(zhì)，由激光擊穿后產(chǎn)生激光支持的等離子體爆轟波，推動飛行器前進。在這種模式中，一般激光器與飛行器分離，激光束通過地基或天基激光系統(tǒng)長距離傳輸，作用于飛行器推進部，無需自身攜帶推進劑。與傳統(tǒng)的化學火箭推進方式相比，激光推進具有如下優(yōu)點：

（1）比沖更高。受工質(zhì)化學燃燒溫度的限制，傳統(tǒng)火箭推進方式的比沖很難突破500s，激光推進可達到3500～5000 s，這意味著消耗同樣質(zhì)量的工質(zhì)獲得的沖量可以提高1個數(shù)量級；

（2）有效載荷比高。有效載荷比是指飛行器所能運載的有效載荷重量與飛行器起飛總重量之比。傳統(tǒng)推進方式由于需要攜帶大量化學燃料，有效載荷比一般僅為1.5%，激光推進由于可以將能源與工質(zhì)分離(吸氣方式的激光推進甚至不需要攜帶任何工質(zhì))，激光推進的有效載荷比可達15％，這意味著同樣起飛重量情況下“載重量”可以提高1個數(shù)量級；

（3）發(fā)射費用低。由于發(fā)射裝置可反復利用，消耗的能源可由電力等廉價能源提供，發(fā)射載荷到近地軌道的費用有望從目前傳統(tǒng)推進的大約每公斤10000美元，降低到每公斤100美元；

（4）推進參數(shù)可在大范圍內(nèi)控制，非常適合變軌、軌道維持等應用。激光推進應用中，激光器的發(fā)射脈沖數(shù)（啟停時刻）以及輸出脈沖能量（輸出功率）、重復頻率等相關參數(shù)可在大范圍內(nèi)精確控制，推力產(chǎn)生方向也較易控制。通過精確控制照射工質(zhì)的“激光劑量”，可以使沖量控制的“分辨率”達到10-8 Ns，推力控制則可達到μN量級；

1997年4月至2000年10月，美國Dr.Leik Myrabo領導的研究小組與空軍合作在白沙導彈靶場進行了多次自由飛行實驗；2000年10月，將直徑122mm重50g的光船推進到71m的高度，自由飛行時間12.7s。

我們也做了一些關于激光推進方面的工作，圖3-8為激光推進自由飛行演示，采用平均功率千瓦級重復頻率脈沖CO2激光器，推進10.2g的金屬光船，實現(xiàn)了自由飛行。

圖3-8 激光推進自由飛行演示

激光推進的應用范圍十分廣闊，清除地球周圍的太空垃圾是其現(xiàn)實應用之一。在地球上發(fā)射激光推進空間中的碎片，改變空間碎片原有的運行軌道，使其偏離運轉(zhuǎn)軌道進入地球大氣層自然燒毀。激光推進清除太空垃圾的方法成本低，安全性好，是一種比較有前途和潛力的方式。

4 結論

結合中科院電子所的研究工作，我們對三種紅外激光器的研究進展進行了介紹，概述了其原理及各自的優(yōu)點。我們分析討論了激光雷達、激光清洗、激光推進三種應用，它們在各自的應用領域有一定的優(yōu)勢，是未來需要重點關注的幾個研究方向。以上幾項研究進展也同時說明，激光技術有廣闊的應用范圍和良好的應用前景。

參考文獻

JEFF HECHT. Diode pumping enables a new approach to alkali-vapor lasers. LASER FOCUS WORLD, April 2011.

JEFF HECHT. A new generation of laser weapons is born. LASER FOCUS WORLD, April 2010.

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【交流與討論】

宋家駿：謝謝譚榮清研究員給我們做的很精彩的報告，下面時間大家自由發(fā)言和討論，可以提問題也可以發(fā)表看法。

李致潔：我提個問題，因為雷達一般是微波的，那么激光雷達是怎樣的原理呢？請簡單介紹一下。

譚榮清：激光雷達的原理和微波雷達是完全一樣的。激光雷達林林總總，我說有代表性的吧，它照到物體會反射，再接收過來，通過處理，提取有用的信息，這就是激光雷達的原理，實際上跟微波雷達完全一樣的。

比如說三維成像的激光雷達，它就是發(fā)射激光的一個一個脈沖，然后激光脈沖收回來以后呢，它和普通的光學照相的區(qū)別在于，光學照相是完全二維的，激光雷達，它把脈沖收回來，要計算這個飛行時間，通過激光脈沖打出去再接收回來的時間，能把它和物體間的距離也測出來，反演出來的是三維的立體的圖象，除了有二維的之外，還有高程數(shù)據(jù)，比方說用激光雷達去掃描一個城市，可以把各個樓宇的高度，同時在這個數(shù)據(jù)里頭顯現(xiàn)出來，這就是激光雷達和光學照相的區(qū)別，也就是激光雷達的一些用處。這我舉的是一種，實際上有很多，總的來說是要接收回波的，處理回波的信息。

屠乃琪：說到激光雷達，我搞過人工激光測距儀，發(fā)射器是紅寶石激光器對準裝有角反射器的人造衛(wèi)星上如，探險者13號，或者探險者56號。我們搞人工激光測距儀，測量的是地面到人造衛(wèi)星的距離，激光器有發(fā)散角發(fā)射時覆蓋衛(wèi)星，計算發(fā)射脈沖時間和接收有個脈沖時間差，用時間差確定距離當時的精度十米。這個項目現(xiàn)在安裝南美跟阿根廷天文臺合作，我們把這個項目應用到天文臺，南北天區(qū)布網(wǎng)它測量的精度大概能達到半米級了，現(xiàn)在正常每天在進行日常的觀測工作。地球動力學，改善地球自轉(zhuǎn)，提供常規(guī)的資料，做常規(guī)的觀測。

另外我聽譚老師報告學習了很多激光的知識，聽譚老師介紹，說人造衛(wèi)星的碎片，因為我們天文臺有個人造衛(wèi)星碎片組，監(jiān)測太空垃圾，垃圾對發(fā)射的安全影響極大，咱們發(fā)射火箭的時候不要碰上，提供安全預報。激光器應用之一可清除人造衛(wèi)星的碎片，專門有這個研究組提供安全期預報，有關單位跟據(jù)預報選擇什么時間發(fā)射，避開主要的碎片。

宋家駿：您測距離，最遠測到多遠？

屠乃琪：一千多公里。

宋家駿：那很遠啦。

楊明江：九十年代中科院在北京有激光研究的單位有物理所、力學所、電子所、化學所、半導體所等，研究各有特色。我知道當時電子所主要搞CO2激光器，還有有特色的銅蒸氣激光器。今天我來聽了電子所譚主任的報告，很受感動。因為CO2激光技術在一般人眼里已屬技術成熟的老技術，主要用大功率連續(xù)激光實現(xiàn)激光焊接，切割、熱處理。而電子所幾十年堅持不懈，特別結合軍工和檢測，研發(fā)出一系列高重頻CO2脈沖激光技術及新應用，研發(fā)工作發(fā)展很好，很有特色，工作很不容易。聽了很振奮，很值得我們學習你們咬住不放松精神。

你們介紹的激光清洗工作主要講了金屬表面的油漆和模具表面橡膠殘余物清洗，橡膠等有機物，對紅外光吸收好，容易氣化。我想問一下你們對金屬表面氧化物的清洗做過些什么研究？比如鋁合金表面三氧二鋁（Al2O3）氧化膜的激光去除。就我所知，在目前先進制造中，汽車、高鐵、航空航天裝備中，為了實現(xiàn)輕量化，大量采用鋁合金、鋁鎂合金、鈦合金等部件，部件焊接碰到困難是Al2O3清除。Al2O3結構致密，汽化點高，易氧化生成，殘留在焊縫中容易形成諸多缺陷，影響焊接質(zhì)量。現(xiàn)在工廠去Al2O3的方法主要采用機械刮削，速度慢，尺寸精度不易保證，詢問激光有無辦法。你們的報告講，CO2激光脈沖寬度已做到70~100納秒，而在許多表面微加工領域，激光脈寬要達到幾個納秒到一二十個納秒，你們能不能進一步努力達到，以拓寬應用。

譚榮清：我接著楊老師說幾句。首先感謝楊老師給予肯定。對于二氧化碳激光器來說，它不容易做得更窄。二氧化碳激光器從原理上，從實驗室的角度，還可以做得窄，比方說我匯報的美國的大型的雷達，它的脈寬已經(jīng)做到幾納秒。但是要用比較難的技術。如果是比較通用的，工業(yè)化的，一般可能做到幾十納秒就算窄了，很難做到YAG那樣10納秒。YAG已經(jīng)很容易做到，但二氧化碳就比較難。但也不是不可能，比方說個別的應用，就做一個兩個，那是有可能的，但做系列產(chǎn)品是有難度的。

剛才天文臺的老師講到了測距，激光測距的激光器現(xiàn)在一般用的是固體的。能不能用二氧化碳測距？測距為了測得準，脈寬很窄，就好比只有你尺子刻度畫得很密才可能測得很準。需要脈寬很窄，二氧化碳想做得很窄，有可能，但確實技術上比較難。但二氧化碳比YAG有個優(yōu)點，能量想做得大比較容易，就看具體應用了。

第二個問題，楊老師說得非常好，現(xiàn)在去除氧化物，包括比方說激光除銹也是屬于去氧化物，這是現(xiàn)在最多的激光清洗的需求?，F(xiàn)在需求是很明顯的，也有一些工作，我也做了一點點工作。坦率來說，我們實驗室這方面的工作正在進行，手里做了個別樣品。

激光除銹這個事兒是可行的，是可以除的，也可以達到比較好的效果?，F(xiàn)在進口的商品化樣機也有，而且是能做的。這個問題提得很好，確實是目前很重要的一個需求。有很多鋼廠??！其實楊老師說的焊接之類可能是更高端的需求了，比較大的需求，比方說軋鋼廠，軋出來后很快氧化了，現(xiàn)在都用酸處理一下再給人家，但現(xiàn)在政府不讓用了。一線的人都跟我提過，說目前至少用二氧化碳激光器解決得還不夠。

楊明江：還有一條，在先進制造搞輕量化時，多用鋁鎂合金等和鋼鐵焊接。這時不光是要解決表面氧化物清除問題，還有一個很重要問題，不同金屬熔點很不一樣，固定激光脈沖加工，往往一種金屬熔化了，另一種沒熔化，最后凝固后的焊縫就不是良好均勻的冶金結合。我們認為需要研發(fā)一種激光波形調(diào)制技術，讓一個激光脈沖中的能量密度隨時間準確變化，以實現(xiàn)作用點的溫度和時間控制。我們在激光毛化應用中用激光波形調(diào)制實現(xiàn)了抑制汽化，增加熔化，現(xiàn)在也在進行集成電路焊接實驗，以解決微小作用點，低溫焊接問題。我建議你們在高重頻脈沖CO2激光波形調(diào)制技術進行進一步研究作為一個新的特點，做出更多貢獻。

王柏懿：力學所的楊明江他們一直用YAG激光器。

林世昌：剛才我聽譚老師介紹是激光器不動的，工件在動的，能不能這個激光器動？

王柏懿：力學所的楊明江他們一直是激光器不動。

林世昌：那個技術有沒有？像手槍一樣的。要用光纖，光纖傳的區(qū)域可掃描。氣體激光器比較困難。你這個在縫里頭，工件動的話就比較麻煩，要旋轉(zhuǎn)了。

楊明江：二氧化碳的難點就難在這兒，很難用光纖傳輸。

林世昌：暴露出來的可以掃描，縫里面的掃描不到。

楊明江：一般40度以上60度以下，可以干。

王柏懿：力學所楊明江他們主要是做應用的，如汽車廠。你們這個二氧化碳，做清洗的，一臺激光器要多少錢？

譚榮清：這個是不太好回答的問題，因為跟你的具體的參數(shù)什么關系很大。我們實驗室做的脈沖激光器來說，賣的便宜的幾十萬，貴的幾百萬。幾十萬到幾百萬。比如說我說的千瓦級的，個比較大的，幾百萬。小一點的，可能就是幾十萬。

王柏懿：比如說你提到的清洗飛機的那個激光器，需要多大的功率？

譚榮清：飛機要用千瓦級的了，大概上百萬。

王柏懿：還行，飛機用還買得起。

楊明江：軍工，工業(yè)上用數(shù)千瓦CO2激光器，千瓦級YAG或光纖激光器，前幾年4到6千瓦的YAG激光、180萬美元，后來降至80萬美元。原來我們都研究激光器，現(xiàn)在應用的那個要求是越來越高，應該更重視激光應用工藝的研究。

鈕得祿：我講點補充意見?？茖W院是我國最早開展研制激光的單位，研究課題大都重點放在氣體激光器上，尤其對二氧化碳氣體激光器的研究，包括它的應用研究都取得了較大成績。20年前我院長春光機所就成功地研究出平均功率為10 kw的高功率氣體激光器。當時由院長親自參加鑒定，但由于該器件體積較大，而未得到推廣應用。

近幾十年，國際上對高功率固體激光，固體激光雷達加大了研究力度，投入了大量的人力、資金。像谷歌公司一家，就投入了1300萬美元，成立了專門的團隊，研制自動駕駛汽車用的固態(tài)雷達傳感器?？茖W院由于上個世紀重點研究放在了氣體激光方面，對固體激光研究關注不夠，投入經(jīng)費也少，所以在2000年后，有點下滑，有的研究所的激光研究有些邊沿化。當然，這也和國家在上世紀，對材料的科學研究投入力度不夠有關。

國際上近幾年還有一個最熱門的研究項目，固態(tài)激光雷達，作用距離在200-300m。這種雷達體積小、重量輕，用途特別廣泛。是無人駕駛汽車、無人飛機、移動機器人、巡航導彈等等自動導航不可或缺的傳感器。上海光機所、科學院上海高研院、技物所、武漢大學、哈工大等等都把該項目列入重點研究對象。

在研發(fā)固態(tài)雷達時，還要提到一個核心技術“激光成像技術”。不是所有的激光雷達要求成像，有的只需要探測到目標的距離、方位、高度、速度等就夠了。有的固態(tài)激光雷達，則要求被探測的目標成像。如對水中探測的目標，直升機在復雜的環(huán)境中落地時，地理環(huán)境成像。巡航導彈要擊中的目標也要成像等等。據(jù)報道，中科院光電研究所，在面陣三維成像，激光雷達研究方面取得了某些突破。但離實際應用還有一段距離。希望科學院加大這方面科研項目的力度，電子所也應立項研究。因為電子所有微波成像的研究的基礎。

在這里，我還有一個不成熟的想法。在研究固態(tài)激光時一般把固體變成蒸氣。一般來說，把材料由固態(tài)變成氣態(tài)，體積會增大，密度會減小，這樣，激發(fā)出來的激光就會減少。如果把固體材料變成半氣體狀態(tài)的晶體微粒，會提高單位體積的密度，這是否會增加激光的輸出功率呢？不知會有什么問題？

剛才譚老師提到激光雷達能否應用在海上大霧天，避免大型艦船的碰撞問題。激光雷達應用時，環(huán)境是有要求的。沙塵暴、大霧會大大影響它的功能，解決這問題的辦法就是應用太赫茲雷達。

林世昌：老鈕提的建議很好。我網(wǎng)上搜了一下，黨的十八大以來，中國科學院重大成果20項，激光就有兩項。第一項，就是自主研制世界首套深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，國際領先，這是第一個。

王柏懿：這是哪個所的？

鈕得祿：理化所的。

林世昌：第二項，超強、超短激光研究達到國際領先水平。達到什么呢？5.3帕瓦（1帕瓦等于10的11次方瓦）。昨天我到院圖書館去參觀，我們黨員和老科協(xié)搞一個活動，去參觀咱們院的成果，講到5.3帕瓦了。電子所有特點，搞氣體激光。老鈕提的意見很好，這樣氣體激光、固體激光，取長補短，創(chuàng)新思維，這個很好。

李悌興：科學院，主要是把精力抓了幾個光機所，上海光機所和西安光機所，都是主要投資在那個地方。我們所只有一個室搞激光，基本上沒有大的項目。

楊明江： 80年代、90年代開始，北京的幾個激光所經(jīng)常開會，現(xiàn)在有的所逐漸消沉了，希望電子所用這種激光沙龍方式把科學院激光所的研發(fā)力量再凝聚起來。

林世昌：電子所激光既是老的學科，又有新的項目。

王庚辰：首先感謝譚主任做了這么好的報告。激光技術和它的應用，是非常非常大的領域，這么短的時間，給我們做了全面的介紹，信息量非常大，我們都來不及消化。我是大氣所的，我們不搞激光，但搞激光應用。我今天的心情難以表達，主要是我們搞激光應用那么些年了，確實走了一條非常艱辛的道路，也非常高興激光發(fā)展這么快，確實是感觸很深。

我們大氣所，從第一臺激光雷達，1962年研制成功，是國內(nèi)第一個激光氣象雷達，后來我們做兩方面工作，一個是激光探測大氣各種參數(shù)，目前為止，譚主任講的七種激光雷達，我們除了（共振熒光）之外，其它都在用。

第二個方面，就是激光傳輸，我認為各個波段的激光在大氣當中傳輸，不光是衰減吸收問題，它主要是影響激光成像質(zhì)量，等等。固體激光、氣體激光、半導體激光都在用。我們不做器件，但我們應用，就要了解這個激光器在大氣當中的特點。

當我們做二氧化碳激光、一氧化碳激光應用的時候，非常困難。當初找不到一家能做激光器。最后找到的是大連化物所和上海光機所，那個激光器就和譚主任講的一樣，就相當于這么一個桌子，比這個桌子還大的東西，非常大。但是當時我們很珍貴，為什么？因為它是可調(diào)諧的，七八十條譜線，我們一條一條的做，所以很艱難。然后找半導體所，也不行，只能從國外買。國外一個小的半導體激光器很貴很貴，我們要求它也要可調(diào)諧，當時很艱難，所以我非常高興你們做出這樣的激光器。現(xiàn)在如果我們再做這種工作的話，從器件上我們不發(fā)愁了，我非常高興。

時間關系我不講了。我想問兩個問題，一個是對我們氣象大氣環(huán)境的應用來講，首先需要常規(guī)的激光器，還要可調(diào)諧的，我們希望可調(diào)諧的二氧化碳激光器，這個方面譚主任很清楚；然后是便攜的，目前激光雷達是很大的東西，很沉，現(xiàn)在我們的激光雷達都是在固定點應用，另外激光雷達還需要專業(yè)人員維護。另外一個，最好是要高重復頻率，我們希望探測距離更高，探測的分辨率更高。所以希望你發(fā)表一下你的看法。第二是找到我們最多的，就是現(xiàn)在的霧霾天氣比較厲害，好多單位找到我們，就是說現(xiàn)在是高速公路上撞車，霧霾天，近海撞船，就是你們能不能在霧天的狀況下，減少高速公路上的撞車事故，避免海上撞船事故，因為我們現(xiàn)在沒有什么更好的辦法來做，就是應用方面，有沒有什么高見供我們學習和參考的？謝謝。

林世昌：剛才王老師講到可調(diào)諧，我在電子所網(wǎng)站上看到研制新型的激光器，已通過外場實驗，其中講新型遠紅外可調(diào)諧激光器。

王庚辰：可調(diào)諧，這個詳細講就多了，就是可調(diào)諧的范圍和精度

林世昌：我曾經(jīng)跟譚老師商量，我說我們電子所網(wǎng)站報道的，能不能講講？這個可調(diào)諧，大家都挺關心的。

王庚辰：因為我們，剛才講了差分吸收的嘛，我們希望就是一條譜線來吸收很強，調(diào)到附近那條譜線上，它可能吸收很弱，為什么七八十條譜線我們要一條一條來研究呢，就是要看看每一條譜線它在大氣上的傳輸情況怎么樣。

譚榮清：第一個問題，王老師說的這些，我給總結了一下，五個關鍵詞。關于這個大氣探測的需求，可調(diào)諧，差分，便攜，維護，高重頻。說句老實話，這些年來，尤其是近一二十年，這就是我們實驗室追求的目標。我們一直在做這個事兒。可調(diào)諧應該說是我們這個實驗室的特色，在國內(nèi)是領先的?？烧{(diào)諧是指二氧化碳激光器的可調(diào)諧，或者稍做拓展，氣體激光的可調(diào)諧?？烧{(diào)諧的氣體激光器，我們做了大量的工作。在二氧化碳這方面呢，一看王老師真是用過，二氧化碳激光器的可調(diào)諧，一般來說，就像王老師說的，能出七八十條線那很貴的，個兒也很大。那個我們現(xiàn)在做沒問題，我們出的線絕不會比國外或者是誰少。我在2006年中國光學大會上，那時候做PPT講稿的時候，我是講我們出70幾條線、80幾條線，現(xiàn)在我們不這么講了，現(xiàn)在我就講我們能出很弱的線，那是在二氧化碳很邊緣的線。那個線我們能出，別的那就不用說了，所以我們在出線這方面沒問題，可以出非常豐富的譜線，七八十條那是沒有問題的，這是一方面。

另外一方面，光有調(diào)諧不行，還要有快調(diào)諧。尤其是在差分激光雷達里面，需要大氣凍結時間十毫秒之內(nèi)，你能從一支到另一支。這個我們從兩方面做工作，零幾年的時候就開始做工作。一方面是單臺激光器，可以快速在兩個波長之間切換。這個實話實說，我現(xiàn)在解決的離咱們大氣探測的，還稍有距離。我最快的大概在40毫秒左右，可以在兩個值之間，任意的兩個，二氧化碳10P、10R，9P、9R，其中任意的一根線和另一根線之間，快速的調(diào)諧。最快大概可以做到40毫秒。但是呢，這個離咱們大氣探測有的時候可能還有距離，咱們希望大氣凍結時間10毫秒之內(nèi)。

我們現(xiàn)在換了一個角度，我們因為還是注重實用嘛，不要追求理論、追求象牙塔式的研究。我們做了一個，就是我今天匯報的最新的成果，我們做的是雙路，在輸出波長方面是獨立控制的，我預先程序完全可以設計好，這路出哪個波長，這路出哪個波長，這兩路之間輸出的波長，可以每一路都可以是任意一條線，它倆之間的時間，是任意的，可以從同時，之間的快速到0，同時就是0嘛，到你要10微秒，你要100微秒，你要1毫秒，你要10毫秒，都可以，因為它雙路獨立控制的，這個原理上完全可以想像得出。

我們當時在工程上還遇到難處，我就多羅嗦兩句。我們遇到一個很難解決的難題：雙路的時候，讓它倆同時輸出激光也可以，讓它倆拉開很寬，拉開很長時間輸出也可以。最難受的事兒是這兩個之間要很快的時候，你第一路一輸出，因為電磁干擾，另一路本來沒讓它出，讓它再過一小會兒，它一著急它自己先跟著出來了。這個就是互相干擾的問題。這個雙路互相串的問題，這個困擾了我們一段時間，我們現(xiàn)在完全解決了。這雙路，中間根據(jù)程序設定，相隔多少長時間都是可以的，都是任意調(diào)的。這是差分可調(diào)諧。

便攜的話，說老實話對氣體激光器是有難度的，反正我們盡量往這個方向做。我們做的最小的便攜式激光器是10公斤，充電電池供電，不用220v。我們當時是一個什么特殊場景呢？搞工程的人，希望爬到那個裝備車的車頂上去，打出一束激光，這個經(jīng)常爬車頂，只能拎個十公斤已經(jīng)算是不錯的小伙子了。

王庚辰：我們是希望爬到300米的鐵塔上。

譚榮清：是啊，對，我知道你們大氣所有個鐵塔，現(xiàn)在還聳立在那。那個鐵塔要帶個激光器上去，10公斤已經(jīng)不容易了，年輕小伙子可以。所以這個我們做過，而且是電池的，你不需要拉跟線，不然線怎么辦？但是這個確實有犧牲的，這個就是說，只能是比方說你要哪個波長，我事先給你條定好，單一的波長，然后重復頻率，也解決1赫茲，一秒鐘打一下。這是關于便攜。但我們在同樣情況下盡量做得小一些，比方說便攜的做不到，就做到桌面，就盡可能小。

維護的話，我們兩方面做工作，一方面把激光器做得好一點，盡量少維護。一旦需要維護，做工程多年的理念，說點感慨，在座的很多老師都有這感受，沒有保修期，合同上寫一年也好，有時候讓你寫三年也好，哪有那個事兒？只要不扔掉，一個電話你就得馬上去。工程的東西就這樣，出去八年了，說對不起過保修期了，那哪行？也不可能像一般的，你先付我錢，那不行。我們明天要用了，你趕緊給我調(diào)一下，那我們馬上就得飛過去。這時必須的，我們良好的態(tài)度，以軍事的作風去維護，都沒有問題。

這種二氧化碳，我們脈沖式的二氧化碳，可以做到2K，這是沒有問題的。

這是第一個問題，我可能說得多了點。

關于第二，防撞的激光雷達，王老師說在霧天，防止撞車，這個我給總結一下，應該就是說開發(fā)新一代的防撞的雷達。因為我們電子所有這個優(yōu)勢，不僅有激光，還有微波。其實這個防撞的雷達說起來還蠻難的。我個人一點臨時的想法，可能需要開發(fā)一個激光和微波聯(lián)合的這樣的一個雷達。因為激光和微波呀，各有利弊。微波的特點是在霧霾天，它穿透力特別好，受氣候影響淺，這是微波的優(yōu)點。但是微波也有缺點，它比較粗，能不能夠達到防撞這個精度，可能很難說。激光正好反過來，它測量的精度比較高，但是它受氣侯的影響很大，在真正的大霧霾天往往是無用武之地，至少性能會大幅度下降。所以呢，可能需要把這兩者結合起來。這是電子所的優(yōu)勢，我們電子所既有微波，又有激光，可能做一個雙體制的，就是微波和激光互相融合和互補，能解決這個問題，是一個思路。在這兒我就斗膽的說兩句。

最后呢，林老師給我出的題目。我從林老師現(xiàn)在退休了還做的工作，想到了我們老一輩科學家做事的精細和認真，真的是值得我們一代一代學習的。他辦這個沙龍，事先肯定看了大量的資料，做了大量準備。他事先看了我們所的網(wǎng)站，關注了我們激光這一塊，然后給我提出來。今年我們所網(wǎng)站里有一個報道，就是激光這方面的一個主要的成果，我們搞了一臺激光器，雙路，快調(diào)諧的，這個跟王老師的大氣探測相當有關聯(lián)，也是用到差分雷達上了。這個應該說是我們五室今年最亮的成果了。這個激光器呢，可以輸出很弱的線，可以達到最快的調(diào)諧時間，尤其是可以適應極惡劣的環(huán)境。我們在我國的大草原上，通過了各種殘酷實驗，有很多難度，我們通過了?？傊@臺激光器的性能，是工程化性能很好，可以完全做到可調(diào)諧，應該說是填補了國內(nèi)的空白。

剛才王老師說的那些，我也覺得很可惜。確實，王老師若干年前費那么大勁找激光器，我若干年前費勁地做應用，都很苦惱，以后咱們多合作。我們現(xiàn)在做的激光器，用到大氣探測，尤其是差分大氣探測，是非常合適的。主要我們現(xiàn)在面對兩個波段，都可以做到可調(diào)諧，而且都是很有特色的，一個是9到11微米的波段，還可以在技術手段上最多可以拓展到11.15微米左右，9到11.15微米左右，這是長波紅外波段。還有一個波段，就是王老師提到的2.7微米左右，我們是用氣體激光的方法，用氟化氫的激光器，也可以實現(xiàn)可調(diào)諧，也有很多條線，可以實現(xiàn)2.7微米。這個波段本來是大氣不透的，說老實話，多數(shù)人認為這激光器沒用。因為我們在實驗室里做實驗也是這樣，把那個能量探頭，離激光輸出口稍微遠一點，這個能量就衰減掉了，一米的距離就可以把它的能量都吃掉，好像這大氣里頭沒用了。但有時候有一些獨特的應用。所以就是至少在這兩個波段，我們都是可以做到很好的可調(diào)諧。我們的激光器是填補了空白的。開始是國內(nèi)的著名高校在做，有困難，后來我們加入過來，把這個事兒解決了

王柏懿：我問另外一個問題，我個人的偏好是激光推進。你們還依然在做光船的事情嗎？我不知道光帆和光船是不是一碼事？你們的激光推進，將來（或者預期）能夠推到多大的質(zhì)量？還是只能是在小衛(wèi)星的小范圍里來做這個事情？特別是今年4月份，霍金和俄羅斯的一個大咖，他們合起來搞了一個“突破攝星”計劃，說要用一個非常大的激光的陣列把光帆發(fā)射到太空。你們電子所對這一塊，有什么想法或者將來還接著做嗎？這是我的問題。

譚榮清：我們電子所做做激光推進的話，主要還是基于我們有一個比較適宜做激光推進的激光器，就是我重點匯報的這個脈沖的二氧化碳激光器，從這兒開始呢，逐步起步。我們是從2002年開始做一些激光推進的工作。應該說這個工作沒有得到太多的國家層面的項目的支持，所以呢，實話實說，這幾年做的工作已經(jīng)逐漸少，做也基本上在純研究的范圍，帶著研究生做一些工作。我想這個也是有原因的，因為激光推進這個事兒，如果真搞的話，投資量很大，國家也很難短時間下決心做這個事情，確實也有一段距離。

剛才老師提到這個光帆，實際上光帆廣義上來說可能算激光推進，但狹義上來說就不叫激光推進了，光帆也叫太陽帆，用的是光子的動量。就是說我們?nèi)绻腔貞浺幌轮v狹義相對輪、廣義相對輪、愛因斯坦的觀點，就是即使光，它是光子，它也攜帶動量的，一束光照到一個鏡面上被反射回來，實際上會給鏡面一個非常非常小的一個壓力了，那個就可以叫光壓，那個壓力非常小。但是呢，如果把光帆做得很大很大，又在太空中的話，沒有什么大氣阻力的話，這個構想，實際上是專門有人研究做光帆的，這個尤其在深空推進。比方說離地球很遠很遠了，各方面能量都很難輸出過去了，它用一個巨大的光帆來推動，是那個。

這個跟我們搞的激光推進是親戚，但是不是一個。我們的激光推進還是用激光能量轉(zhuǎn)化為推動的力量，轉(zhuǎn)化為飛船的動量。轉(zhuǎn)化的方法主要有兩種，一種是前邊我說的把激光聚焦之后產(chǎn)生爆轟波，就是擊穿大氣，擊穿大氣的話，大家可以想像，這個應用需要在大氣層內(nèi)，所以只適用于低軌衛(wèi)星的發(fā)射。離大氣層遠了，50公里以上就逐漸失去作用了。還有一種叫火箭式推進，剛才說的這種叫吸氣式推進，還有一種是火箭式推進，激光打到物質(zhì)上，物質(zhì)被激光燒蝕了，產(chǎn)生一噴射，這有點像現(xiàn)代的化學火箭，只不過這個不是靠火箭的燃燒，不是靠燃料的燃燒，而是靠激光打上它，讓它噴射出來。這種呢，叫燒蝕方式，這種燒蝕方式是可以到深空中去使用的，可以脫離大氣層，這兩種都可以使用。

當前激光推進離實用確實有段距離，有個估算，如果把十公斤級的一個飛行物，推到近地軌道上去，需要百萬瓦量級的激光器，所以這個激光器是很大的。所以直接用它去發(fā)射衛(wèi)星，哪怕是發(fā)射一個小衛(wèi)星，也是還有很長的路要走，離實用還是有一段距離的?，F(xiàn)在離實用比較近的，我認為兩個方面：一個是激光清除碎片，清除碎片這個東西它不同于說發(fā)射一個衛(wèi)星入軌，它不需要整個的過程從這個地球上一直把它推到一個近地軌道上去，它只是改變空間碎片的軌道，改變軌道還可以通過重復，比方說對于比較難清除的碎片，我地球上建三到五個站，每次經(jīng)過打100個脈沖到200個脈沖，下一站再按照合理的方式作用它，可能經(jīng)過一天兩天清除掉。用這種方式我可以同時作用于多個碎片，哪個碎片來了我就作用哪個碎片，就是現(xiàn)實度更高一點。這種清除碎片，還有一種方式就更容易一點，可以把激光器裝到宇宙飛船上去，裝到衛(wèi)星上去，就是空對空，太空對太空，天基的。可以距離得比較近，據(jù)報道，日本已經(jīng)把一個激光器裝到他們的一個衛(wèi)星上面去，然后用于清除接近它的碎片，已經(jīng)有這方面的實驗。這是一方面。另一方面，是所謂微推進，就是把激光器直接裝到衛(wèi)星上去調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，或者是做衛(wèi)星的軌道維持，這個需要的功率和能量，量級也比較小，這個離現(xiàn)實比較近，這兩方面是可以早的走到應用里去的。

王柏懿：所以你們這個光船更接近他們那個“突破攝星”方案，完全用激光來推進。他們已經(jīng)宣布了，要開始做這個事情。但是我相信，這會是很難的一項任務，要花很長的時間才能實現(xiàn)。

王玉富：很高興能夠到這兒來參加這樣一個沙龍，對你們工作感到非常敬佩。很巧，我15年前也接觸到這方面的工作，很遺憾的是這個事情沒有做到底。當時怎么個情況呢？就是長春光機所通過中介找到我。說因為激光器除激光頭本身，對電脈沖的要求也非常嚴格，希望電脈沖也是越好越好。他們給了這樣的一個指標，就是說電脈沖的峰值功率是20兆瓦，連續(xù)功率是100千瓦。

上海光機所造的是3個立方米，就問我能做到什么程度，我設計計算后說我0.5立方米這個東西做下來，并且還能做到你做不到的。什么東西呢？因為諧波問題非常重要的，因為它就是一個電的小局域網(wǎng)，相對比較小，功率非常有限的局域網(wǎng)，你諧波大了以后，發(fā)電機無法承受。他說那你做好設計吧，中介跟我說，讓我做了一個設計，設計結果確實做到這樣一個連續(xù)功率為100千瓦、峰值20兆瓦的電脈沖，適應它的需求。

后來中介又提出了一系列的個人要求吧，當時我也感覺，這個要求不太合理，但是我也很想做，但最終雙方?jīng)]有達到協(xié)議，我們沒有結合。所以這塊，如果有機會的話，很希望電子所能不能做一些這方面的事兒。我們做無諧波高能量的，世界最好的電脈沖，你們做最好的激光頭，我們把中國的激光器做到超越美國?？赡芪业囊靶奶罅?，但我直接說，有這樣一種可能性，因為諧波對局域網(wǎng)的局域設備，特別是脈沖功率大，連續(xù)功率本身100千瓦也不小的情況之下，這一塊，我們跟世界的根本標準還是有差別的，這是說的第一個問題。

第二個，很有意思的事兒，現(xiàn)在國際上有個ITER項目，最早是美國、蘇聯(lián)幾個國家，后來中國也加入了，就是核聚變項目，通過（托克馬克環(huán)）來實現(xiàn)核聚變。前不兩天吧，我們李克強和比爾蓋茨做了一個很有意義的會見，比爾蓋茨自己有六個能源公司，他跑過來好幾次，說要做好核聚變裝置。他認為，應該做一個預熱能源，可以實現(xiàn)能源價格的降低。美國盡管在這個（托克馬克環(huán)）ITER項目上也投了很多錢。我們也投了是300億或是500億，ITER項目（托克馬克環(huán)）還是被延遲的。它作為世界級的，除了空間站以外，全世界最大的科研項目。我自己也有幸參與了它，研制了高精度磁控濺射電源，用于真空腔體去除殘余分子。我們國內(nèi)做得比較早，也比較好的，一個是成都原子能能所，現(xiàn)在就是合肥的那個超導托克馬克，也是做得是相當相當不錯了。當時美國兩個項目最有價值，一個是（激光受控核聚變），另外一個是鈦酸鋇超級電容，這兩項，這五年以來都無聲無息了，到底是怎么個情況？我后面觀察，沒有了。到底是失敗了？還是美國進步了，它成功了，把它藏起來了？這個東西非常重要，我自己也一直在關注，也希望我們科學院能不能把這個搞清楚，到底能不能取代電池？激光束核聚變，到底能不能代替現(xiàn)在的（托克馬克環(huán)）？最近又有新消息來了，說美國的核聚變有重大進展。這些東西本身，其實我們科學家應該關心，應該搞清楚，到底應不應該搞？能不能彎道超車？我就說這么兩個問題。

孫殿義：原理階段很開放了，希望吸收全世界的智慧。

張 平：感謝譚主任在激光新器件和應用技術上做了非常精彩的報告，也了解到國內(nèi)外科技進展的情況。我想問一個問題，咱們所不僅研制出一系列新的器件，另外在應用領域里面，也踏踏實實的做了不少工作，比如說激光合成孔徑雷達。前些日子，丁副所長說電子所已成功研制出光子合成孔徑雷達樣機，我覺得這與激光合成孔徑雷達可能不是一件事兒。我想問問譚主任，這兩個雷達在各自的應用領域里，技術性能上，各自有什么特點？各自的發(fā)展?jié)摿Χ荚趺礃?？另外，?jù)說那個光子雷達，是用動目標來驗證的，因為合成孔徑要求發(fā)射源和目標之間必須有相對運動，而我們的成像目標是固定的，是否通過讓雷達運動來實現(xiàn)驗證？

譚榮清：我簡單回答兩句，我們的實驗，激光雷達，的確是放在飛機上，飛機是飛行的，所以是有相對運動的，靶是不動的，這樣就形成合成孔徑。

至于最近電子所光子雷達方面取得很大的成就，那主要是一室同志做的。我就不說這個光子雷達了，這個激光雷達我也就只知道皮毛，也不便發(fā)表太多觀點，我只是說它還是兩種雷達。我認為光子雷達是把光子學的一些手段和原理，應用到微波雷達的系統(tǒng)當中去，提高微波雷達的性能，所以叫光子雷達，我是這么認為的，這是我對這個光子雷達的膚淺的認識。

孫殿義：微波光子雷達，它的本質(zhì)還是微波的。那么它在處理上，楊老師可能了解，它是采用了光子的手段，所以說處理數(shù)據(jù)的能力效率更快，速度更高，上百倍，對吧。激光雷達呢，它用的手段不一樣，一個是用光，一個是用微波，但都是電磁波。

劉國詮：非常高興，非常感謝譚先生的報告，使我得到了一次學習激光新知識和信息的機會。我是化學所的，我們在過去也稍微接觸過一點激光，在90年代的時候，為了檢測極其微量的物質(zhì)，建立起一套激光誘導熒光裝置，這套裝置用的激光器是YAG激光器。我們用這套裝置可觀測到三十幾個分子，即檢測限三十幾個分子，而用普通的光的話，僅能達到10的負12次方克分子，當然這已經(jīng)是很高很高靈敏度了。當時非常高興，準備好好干一干。但沒過多久，YAG激光器就壞了，它壽命很短，又很貴。當時就在想，要是有一種光譜很寬的，還帶紫外波段的激光器該有多好。而剛才介紹的可調(diào)諧的激光器，是不是也就幾條固定的線？

譚榮清：100條左右，譜線。

劉國詮：覆蓋的范圍是多少？

譚榮清：9到11微米。紅外的。

劉國詮：因為我們搞分析化學的，基本上在紫外，最多是可見，不知道有沒有這樣子的，能使得譜線條數(shù)多一點？

譚榮清：有。

劉國詮：那看來我們就可把這樣一種高大上的光源，用到分析化學上，如果可調(diào)諧的話，應該是非常好的，謝謝譚先生的介紹。

譚榮清：我倒有一個小問題，剛才王老師說搞電源指標挺好的，那你電壓是多少？

王玉富：我們有指標，我回頭給你，現(xiàn)在記不清楚了，因為15年前的事兒了。

胡萬明：感謝譚主任的報告，我聽了之后，對譚主任這個激光氣體感興趣，跟市場對接比較多，跟企業(yè)對接，下一步跟譚總在激光氣體這塊再做點交流，謝謝。

方永綏：我補充一點意見。剛才的報告和發(fā)言都非常精彩，但我想到另外一個層次的問題，就是我們今天的會是老科協(xié)的會，老科協(xié)的沙龍，提問的老專家、老學長都已經(jīng)退休了，做報告的是在職的，我覺得這樣很好，我們交流了科技方面的信息，使大家感到都有好處。其實呢，這給我們一個很大的啟發(fā)，這種沙龍應該多搞，起碼就是在座的人能夠受益。可是更大的問題，現(xiàn)在在職的人，他們怎么來交流他們的科技成果和科技思想呢？這不是我們老科協(xié)延伸下去就能夠解決的問題。我覺得整個科學院，包括剛才大氣所、化學所的同志，還有其它所的同志，對電子所的了解就不是很夠。電子所搞出來的激光器，在科學院范圍里頭也了解不夠。因為剛才比如說王老師和譚主任，王老師我找了你半天了，譚主任也說我也想到我這個激光器用在哪。其實這種現(xiàn)象，說明我們科學院，缺乏一個平臺，就是“互聯(lián)網(wǎng)+”。在科學院的各個研究所之間，應該有這么一個平臺，使需求雙方能很快速地交流現(xiàn)有的成果，有的單位需要某種東西，有的單位我搞出來東西，我要到什么地方可以用?？茖W院的這個“互聯(lián)網(wǎng)+”搞得不夠好。其實這些東西掛到網(wǎng)上，立馬就看到了，不是我們退休的人看到，是在職的人看到。我覺得就是說今天有李局長在嘛，科學院的層面，我不知道啊，因為我也退休了，我不知道科學院各所之間，一百多個單位，內(nèi)部有沒有充分交流的機制？而且是最現(xiàn)代化的頻道，就是互聯(lián)網(wǎng)，我們可以搞個內(nèi)部網(wǎng)，專門交流能夠交流的東西，有的軍工的，不發(fā)布沒關系。馬云干什么事兒？無非就是把全國各地的中小企業(yè)的需求都在一個平臺上溝通起來了，那互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是最快速的、最便捷的、最少成本的信息溝通，不光是在國內(nèi)發(fā)揮作用，美國中小企業(yè)也拉進來，第三世界的中小企業(yè)拉進來，促成了好多的交流，物質(zhì)的交流、信息的交流、成果的交流、產(chǎn)品的交流，都有啊。其實一樣的，本質(zhì)上這個事情都是一樣的，我需要某種激光器，對不對？當然更大的范圍，還有好多激光所的，還有比譚老師能夠提供的更好的，那么我們現(xiàn)在都是10年以前，20年以前退休的人，講的老故事。那么現(xiàn)在還有好多新故事啊，在職的，第一線的，跟國家需求更緊的一些問題、一些需求，還有咱們新的供給，都有啊。

林世昌：你說到點子上了，我們的沙龍就是這個目的，開展交流。今天為什么請速記員來？速記內(nèi)容要上網(wǎng)的。為什么請譚老師寫文章，也是上網(wǎng)的。PPT不宜上網(wǎng)，但文章上網(wǎng)。

方永綏：雙方交流的一個很成功的一個活動。但是這樣的活動，就是對在職的人，應該是每天每時每刻都有，電腦就解決問題了。但是我不知道，因為我退休了，不知道院里有沒有一個很強的組織，就是做這個事兒。

楊汝良：我講幾點看法。第一，電子所二氧化碳氣體激光的發(fā)展有自己的特色。最初在萬重怡研究員領導下已經(jīng)做了很好的工作。與長春光機所在氣體激光方面技術可比。近二十多年來，譚榮清研究員領導的研究室，瞄準國家需求，堅持不懈，得到很好的發(fā)展，十分不容易。但從總的來看，規(guī)模不大，還有發(fā)展余地。希望在應用方面下工夫，尋求新的發(fā)展方向。第二，合成孔徑雷達。電子所先后發(fā)展了L、S、C、X、Ku、Ka等微波頻段的合成孔徑雷達系統(tǒng)，得到了廣泛的應用。光的方面正在部署研究太赫茲合成孔徑雷達、激光合成孔徑雷達、微波光子合成孔徑雷達。微波光子雷達使用光的方法產(chǎn)生寬帶光信號，將光信號變成微波信號放大后由天線發(fā)射，接收信號用光子采樣，數(shù)字信號處理，并采用光延遲技術補償寬帶天線的真延遲等，是一種新穎的雷達技術。激光合成孔徑雷達有很多技術難點需要攻關，如激光相干源、信號補償和處理技術等。

譚榮清：剛才書記給我布置了任務，我就補一兩句關于激光核聚變的事兒。因為剛才書記回頭問我一下，讓我稍微講一兩句。 托克馬克也好，激光核聚變也好，這個目的是解決人類未來100年以后的能源的問題，而且要從根本上解決人類的能源問題，這是這個大調(diào)子是這樣。實際上一直在做的，我簡短一點，美國人的ICF，慣性約束核聚變，就是所謂我們通俗的就是激光核聚變。這個ICF，美國一直在做，最新的成果是做到了192路激光同時輸出，然后最后把這192路激光聚焦后打到靶上去，總能量1.8個兆焦，兆是百萬，所以是180萬焦耳的能量，打到靶上去。這是美國人做的水平，他們做的激光器裝置占據(jù)三個足球場那么大。中國也在做，他們追求，最后要產(chǎn)生能量的正增益，就是我投入的所有的能量，為了使激光器運轉(zhuǎn)起來各方面的能量，最后和發(fā)出來的電要能達到一個出來的多進去得少，這個好像還在于臨界點，要突破這個，產(chǎn)生正增益，還有一些工作要做?？傊@個事兒呢，意義很重大，但技術難度非常高，應該說中國也好美國也好，都在這方面努力，但可能也不能急功近利。

林世昌：今天沙龍開得很熱烈，收獲很大。譚榮清研究員做了精彩的報告，諸位積極發(fā)言，提了好多建議。剛才我們所孫書記作了總結，很鼓舞人心的講話。時間關系，我們今天就到這兒，謝謝大家。

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